Study and design of a superconducting flux modulation machine for aeronautical application
Étude et conception d'une machine supraconductrice à modulation de flux pour application aéronautique
Abstract
As part of the fight against climate change, the aeronautics industry has set itself the goal of becoming totally carbon neutral by 2050. To achieve this, the use of disruptive technologies is necessary to reduce the emissions of this fast-growing sector. Among these technologies, we find electrification, but its deployment requires high specific power electrical machines. In this context, superconductivity can be a way of improving electrical machines thanks to the high current densities and intense magnetic fields that can be generated with superconducting materials. The main drawback of this technology is the need to operate at cryogenic temperatures. However, the prospect of aircraft using liquid hydrogen as a fuel, transported at -253°C, presents a synergy with superconductivity. It is in this context that the work of this thesis is placed, which aims to study the use of high critical temperature superconducting materials for the development of a high specific power superconducting engine employing an original topology called "flux modulation machine". This machine structure has been studied for several years at the University of Lorraine within the Groupe de Recherche en Énergie Électrique de Nancy (GREEN), the laboratory in which this thesis was carried out. The work reported in this manuscript is part of a CIFRE agreement with the company SAFRAN. In order to allow the study of this machine, this thesis includes two chapters dedicated to the semi-analytical electromagnetic modelling of an axial flux modulation machine. The objective of this model is to allow a fast and accurate calculation of the torque and losses of a machine. The use of this model in the following chapter leads to the electromagnetic dimensioning of a 260 kW demonstrator. This design also takes into account the various technical and logistical constraints encountered. A fifth chapter details the ongoing construction of the demonstrator and its mechanical and cryogenic structure. Finally, the last chapter of this manuscript deals with the extrapolation of the experimental results in order to evaluate the potential performances of flux modulation machines at higher power.
Dans le cadre de la lutte contre le changement climatique, l'industrie aéronautique s'est fixé pour objectif la neutralité carbone totale en 2050. Pour cela, l'emploi de technologies de rupture est nécéssaire pour réduire les émissions de ce secteur en forte croissance. Parmi ces technologies, on retrouve l'électrification mais dont le déploiement nécessite de disposer de machines électriques à forte puissance spécifique. Dans ce contexte la supraconductivité peut être une voie d'amélioration pour les machines électriques grâce aux fortes densités de courant ainsi qu'aux champs magnétiques intenses qu'il est possible de générer avec les matériaux supraconducteurs. L'inconvénient principal de cette technologie est la nécessité de fonctionner à des températures cryogéniques. Cependant, la perspective de l'emploi par les avions de l'hydrogène liquide comme carburant, transporté à -253 °C, présente une synergie avec la supraconductivité. C'est dans ce cadre que se placent les travaux de cette thèse qui a pour but d'étudier l'utilisation des matériaux supraconducteurs à haute température critique pour le développement d'un moteur supraconducteur à haute puissance spécifique employant une topologie originale appelée « machine à modulation de flux ». Cette structure de machine est étudiée depuis plusieurs années à l'Université de Lorraine au sein du Groupe de Recherche en Énergie Électrique de Nancy (GREEN), laboratoire dans lequel cette thèse s'est déroulée. Les travaux relatés dans ce manuscrit interviennent dans le cadre d'une convention CIFRE avec l'entreprise SAFRAN. Afin de permettre l'étude de cette machine, ce mémoire comporte deux chapitres dédiés à la modélisation électromagnétique semi-analytique d'une machine à modulation de flux axiale. L'objectif de ce modèle est de permettre un calcul rapide et précis du couple et des pertes d'une machine. L'utilisation de ce modèle dans le chapitre suivant permet d'aboutir au dimensionnement électromagnétique d'un démonstrateur de 260 kW. Ce dimensionnement tient en outre compte des différentes contraintes techniques et logistiques rencontrées. Un cinquième chapitre détaille la construction en cours du démonstrateur et sa structure mécanique et cryogénique. Enfin le dernier chapitre de ce manuscrit porte sur l'extrapolation des résultats expérimentaux dans le but d'évaluer les performances potentielles des machines à modulation de flux à plus forte puissance.
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